Analýza aplikace technologie řízení PLC v inteligentních regulačních zařízeních pro elektrické napětí

Při hodnocení kvality elektrické energie je napětí klíčovým faktorem. Kvalita napětí se obvykle hodnotí měřením odchylky napětí, fluktuace, deformace vlnového tvaru a symetrie třífázové soustavy, přičemž nejdůležitějším ukazatelem je odchylka napětí. Pro zajištění vysoké kvality napětí je obvykle potřeba regulace napětí. V současné době je nejrozšířenější a nejefektivnější metodou regulace napětí úprava čepovacího zařízení transformátorů.

Tento článek se primárně zabývá integrací PLC a mikropočítačových technologií do návrhu a analýzy inteligentního regulačního zařízení napětí, což umožňuje rychlou regulaci napětí a zároveň se vyhýbá dočasnému přetlačení napětí během regulačního procesu.

1. Pracovní princip a klíčové vlastnosti inteligentního regulačního zařízení napětí

1.1 Hlavní pracovní princip

Inteligentní regulační zařízení napětí se skládá z hlavní jednotky a pomocných jednotek. Hlavní jednotka zahrnuje primární a sekundární kondenzátory spolu s regulačním transformátorem, což umožňuje jak kompenzaci reaktivního výkonu, tak i automatickou regulaci napětí.

Pomocné jednotky zahrnují jednu inteligentní řídící jednotku a tři exekuční regulační jednotky. Inteligentní řídící jednotka generuje a předává řídicí příkazy, které jsou bezdrátově přijaty exekučními jednotkami, což umožňuje reálně časovou regulaci napětí na distribuční lince.

Jako jádrové komponenty inteligentní řídící jednotky určují stupeň automatizace, inteligence a přesnosti regulace zařízení. Přesně monitoruje napětí vedlejší vedení, generuje příslušné příkazy a odesílá je do modulu řízení čepovače, aby udržovalo napětí vedlejšího vedení na cílové nastavené hodnotě. Jeho hlavní funkce zahrnují:

• Reálně časové monitorování a řízení napětí vedlejšího vedení – okamžité opravy jakýchkoli odchylek;

• Reálně časové monitorování a řízení výstupního proudového zatížení;

• Poskytování ochranných funkcí proti podnapětí, přetoku proudu a přehřívání.

1.2 Klíčové vlastnosti

Inteligentní regulační zařízení napětí nabízí následující výhody:

• Dvojitá funkce: Zároveň poskytuje kompenzaci reaktivního výkonu a regulaci napětí. Během regulačního procesu částečně kompenzuje reaktivní výkon sítě, zlepšuje koeficient využití, prevence poškození vedení, zvyšuje kapacitu zátěže sítě a zajišťuje kvalitu napětí. Kromě toho může monitorovat napětí a proud tří fází.

• Optimalizovaná a ekologicky šetrná struktura: Návrh používá stupňovanou izolaci k zvýšení dielektrické pevnosti. Přenos dat mezi řídícími a exekučními jednotkami používá izolaci napětí, což umožňuje přenos signálů bez oleje. Všechny senzory napětí a proudu jsou integrovány interně, což eliminuje potřebu externích potenciálních nebo proudivých transformátorů a zvyšuje spolehlivost, stabilitu a snadnost instalace.

• Inteligentní regulace napětí: Automaticky měří pozice čepovače na základě uživatelem definovaných hranic a samoopravuje nepřesná nastavení, aby zajistila stabilní provoz sítě.
  Bezúdržbová operace čepovače: Propojením regulačního transformátoru v sérii s kondenzátory reaktivní kompenzace zůstávají krátkodobé proudy během regulačního procesu nízké, což minimalizuje provozní dopady.

• Inteligentní ochrana: Kontinuálně monitoruje zátěž vedení a teplotu transformátoru; automaticky ukončí režim regulace při detekci anomálií a obnoví provoz, jakmile se situace normalizuje.

• Reálně časové zaznamenávání dat: Řídící jednotka přesně zaznamenává napětí, proud a počet změn čepovače před a po každém regulačním události.

• Efektivní bezdrátová komunikace: Místní data lze číst přímo a parametry regulace (např. časové intervaly, hranice napětí) lze upravovat vzdáleně, což zjednodušuje operaci.

• Vzhledem k jeho vysoké cenové efektivitě, spolehlivosti a bezpečnosti je inteligentní regulační zařízení napětí ideální pro rozsáhlé nasazení v venkovských elektrických sítích, což výrazně snižuje problémy s odchylkou napětí.

2. Aplikace technologie řízení PLC v hardwarovém návrhu inteligentního regulačního zařízení napětí

Na základě funkčních požadavků a technických specifikací inteligentního regulačního zařízení napětí je jeho hardwarová architektura znázorněna na obrázku 1.

2.1 Nastavení základního systému mikrokontroleru

Základní systém mikrokontroleru primárně používá průmyslový osobní počítač (IPC), který využívá CPU kartu modelu All2In2One s pamětí 256MB, s dvěma sériovými a jedním paralelním rozhraním. Dále používá grafický akcelerační čip kompatibilní s PCI2S3, s velikostí grafické karty v rozmezí 1 až 2MB. Pro zlepšení spolehlivosti systému jsou použity nízkoproudé komponenty, které snižují spotřebu proudu.

2.2 Konfigurace vstupních kanálů

Během nastavení vstupních kanálů jsou vstupní signály identifikovány jako sekundární signály z transformátorů napětí a proudu. Tyto signály procházejí podmíněním před konverzí prostřednictvím ADC do vstupu MCU. Okruh podmínění signálu se primárně skládá z transformátorů proudu a napětí spolu s třístupňovým operačním zesilovačem. Transformátory proudu a napětí efektivně převádějí vysoká napětí a proudy na menší s vysokou přesností a dobrým lineárním chováním. Třístupňový operační zesilovač amplifikuje tyto převedené a vypořádané signály.

2.3 Konfigurace řídicí jednotky PLC

Pro tento inteligentní stabilizátor napětí byl vybrán Panasonic série FP1 PLC, který nabízí až 5000 kroků programovací kapacity, jednoduché operační příkazy a komplexní funkce. Používá také dvojlinky RS485, dosahující přenosovou rychlost 100 bps a umožňující síťování až 32 PLC v rozsahu 1200 metrů. Tento model PLC má vynikající schopnosti monitorování, je schopen reálného času sledovat relé schémata a dynamické časování pro zajištění hladké regulace napětí.

2.4 Konfigurace výstupních kanálů

Výstupní kanály používají logické výstupní metody. Pro dosažení stabilní regulace napětí s minimálním přepínáním napětí a přechodným proudem je požadováno spouštění na nulovém průchodu, spolu s nastavením bezkontaktních elektronických spínačů.

3. Aplikace technologie řízení PLC v softwarovém návrhu inteligentního stabilizátoru napětí

3.1 Specifický provozní proces programu

Po zapnutí a inicializaci inteligentního stabilizátoru napětí musí být provedeny inicializační a samočinné kontrolní postupy. Po úspěšné sebekontrole se určuje, zda zařízení pracuje v operačním nebo konfiguračním režimu. V konfiguračním režimu lze parametry nastavit pomocí klávesnice při vstupu do menu nastavení, výběru specifických nastavení a upravování hodnot pomocí šipek nahoru/dolů. V operačním režimu probíhá vzorkování a digitální filtrace, následované výběrem vhodných metod regulace napětí:

• Automatická regulace: Provádí odpovídající programy pro posouzení, zda je napětí uvnitř stanoveného rozmezí. Pokud ano, žádná úprava není potřebná; jinak jsou provedeny úpravy, aby bylo napětí vráceno do mezí.

• Ruční regulace: Ruční operace pomocí tlačítek na panelu upravují úrovně napětí. Po dokončení úprav napětí ukazovací programy zobrazují sekundární napětí a proud transformátoru, stejně jako denní akce regulátoru, což zajišťuje nepřetržitou operaci.

3.2 Specifický algoritmus pro řízení programu

Pro splnění požadavků uživatelů na odchylku napětí je nezbytné efektivní použití řídicích algoritmů. To zahrnuje výpočet hodnot nezávisle na vzorkovacích časech z diskrétních datových sad prostřednictvím matematických operací, jejich porovnání s návrhovými specifikacemi a provedení logických operací pro úpravy klepnutí. Výpočetní vzorce pro měření proudu, napětí a aktivního výkonu jsou následující:

(Poznámka: Konkrétní vzorce pro měření proudu, napětí a aktivního výkonu nebyly v textu poskytnuty, ale obvykle zahrnují standardní elektrotechnické výpočty, jako je Ohmov zákon, výpočet faktoru využití, atd.)

Tyto popisy poskytují podrobné vysvětlení, jak funguje inteligentní stabilizátor napětí, jeho hardwarovou konfiguraci a softwarové procesy zapojené do udržování optimální regulace napětí.

Ve vzorcích i(k) a u(k) představují k-tou vzorkovací hodnotu proudu a napětí. Na základě těchto hodnot lze odvodit a vypočítat další veličiny, jako jsou Q a cosφ.

4. Závěr

Tím, že byl otestován inteligentní stabilizátor napětí, tato práce zjistila, že zařízení může efektivně upravovat napětí v krátké době, přičemž se vyhýbá problémům, jako jsou vlny a krátké spojení, zajišťuje stabilitu regulace napětí a dosahuje relativně ideálního efektu regulace napětí. Je vidět, že aplikace technologie řízení PLC v inteligentním stabilizátoru napětí může efektivně realizovat automatické detekci a regulaci napětí, zrychlit rychlost regulace napětí a skutečná operace je relativně jednoduchá. Kromě toho se během regulace napětí nevyskytne žádná vlna, a horní počítač může v reálném čase sledovat různé pracovní stavy zařízení, což hraje velkou roli v transformaci a správě transformátorových a distribučních stanic.